哈工大团队RAL研究 ︳可用于核电设备巡检的可伸缩棱柱弹簧连续体巡检机器人

引言

哈工大赵建文老师研究团队在IEEE Robotics and Automation Letters 发表了题为《Kinetostatic Modeling of Retractable and Prismatic Spring Body for Continuum Climbing Robots in Discontinuous Terrains》的研究论文。该研究提出了一种可伸缩棱柱弹簧主干结构的连续体爬行机器人，具备在多种曲面和非连续表面进行爬行、转弯和跨越的能力，展示了其在复杂封闭空间如核电设备巡检中的应用潜力。

NOKOV度量动作捕捉系统用于精确测量该连续体机器人棱柱主干的位姿数据。

引用格式

P. Yang, J. Zang, G. Jin, J. Long, B. Huang and J. Zhao, “Kinetostatic modeling of retractable and prismatic spring body for continuum climbing robots in discontinuous terrains,” in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 9, no. 12, pp. 10954-10961, Dec. 2024.

研究背景

连续体机器人通过柔性主干的弹性实现连续变形，具有小型化、柔顺性和对不规则环境的适应能力，已被应用于医疗手术和工业巡检。在封闭巡检环境中，例如核电和火电设备内部的管道、压力容器等环境，移动式连续体机器人更适合长距离和可变曲率表面。

而现有模型多基于常曲率或圆截面假设，难以同时兼顾外载荷、重力影响、精度与计算复杂度的权衡需求，对非圆截面、可伸缩弹簧主干的力学研究较少。连续体机器人在狭窄空间、非圆截面通道和不连续表面中的运动控制与结构设计缺乏通用、精度与效率兼顾的建模方法。

本文贡献

为解决上述问题，本研究提出了绳驱可伸缩棱柱弹簧主干的动静态建模，以支持该连续体机器人在封闭空间复杂设备表面实现稳定、高效的连续爬行与过渡运动。

图1. (a) 连续体攀爬机器人原型。(b)机器人的初始状态。(c) 机器人的收缩状态。(d) 机器人的可旋转关节。(e) 主动可变形爪的三个组件。

研究主要贡献如下：

1. 提出了一种可全向弯曲和可伸缩的棱柱螺旋弹簧主干结构，并将其与旋转关节和主动变形爪组合，构成了一种多用途连续体爬行机器人可用于复杂设备表面巡检。

2. 将该非圆截面弹簧主干等效为具有各向异性弯曲刚度的弹性梁，并基于微段变形投影原理求解了其等效刚度。

3. 提出两种通用准静力学建模方法：

• 离散有限分段模型（DM），通过线性叠加解耦压缩与弯曲并给出弯曲角、旋转角公式，计算效率高；

图2. (a) 轴向载荷下的机械示意图。(b) 弯矩作用下的机械示意图。(c) 弯矩作用下的圆弧机械示意图。

图 3. (a) 单个弹簧段的运动学关系。 (b) 无外部载荷的 CPS 整体变形。 (c) 无外部载荷的第 i 段变形。 (d) 有外部载荷的第 n 段变形。 (e) 有外部载荷的第 i 段变形。

• 基于等效矩形梁与 Cosserat 杆理论的连续微分模型（CM），通过逐步扩展积分区间求解，提高形状预测精度。

图4. 矩形梁任意段的机械示意图。

4. 通过有限元仿真与实物实验系统对比验证了上述模型的准确性，并展示了展示了其在工业密闭空间巡检中的强大应用潜力。

建立有限元仿真模型（FEA）

研究建立了绳驱棱柱弹簧主干（CPS）的有限元模型。主干被定义为三维实体单元，四根绳缆被定义为仅承受拉力的线单元（如图3(a)所示）。在绳缆与主干连接点处设置绑定接触，在相邻弹簧圈之间设置摩擦接触。通过对绳缆施加不同位移，得到俯仰、偏航和三维组合运动下的形变结果。（如图5(a)-(c)所示）

图5.（上）CPS的仿真变形。（a）三维运动；（b）俯仰运动；（c）偏航运动。（下）实验装置。（d）CPS的整体实验平台；（e）平台的局部详细结构。

真实实验

1. 实验方法

实验平台集成NOKOV度量动作捕捉系统、驱动模块与力传感单元。通过在弹簧主干布置反光标记点，实时获取三维坐标以重建中心线形状与姿态角；驱动力由传感器同步采集。（图5.）

2. 真实实验

研究在在重力与外部载荷条件下，进行俯仰、偏航及三维组合运动实验。通过NOKOV系统获取主干形变数据，并对比有限元模型（FEA）、离散分段模型（DM）与连续微分模型（CM）的预测结果。

表1. CPS 的规格及实验驱动因素

表1（上）展示CPS规格，（下）展示其驱动因素

实验结果：

3. 实验结果

如图6.所示，实验结果表明：

• 实验结果（图6）显示：CM与DM预测与实验数据吻合良好。CM精度更优（偏航角最大误差6.73%），DM计算更快；主干形状预测偏差约4–5 mm。

• 在控制模型选择方面：DM模型适用于相对开阔且需要高速计算的环境；CM模型适用于狭窄且需要高精度建模的环境；有限元仿真模型FEA 可用于机器人结构优化。

图6. 不同缆线位移下的弯曲角度。(a) 偏航运动；(b) 俯仰运动。不同缆线位移下的脊柱形状。(c) 俯仰运动；(d) 三维运动。两种动力静态方法分为离散方法（DM）和连续方法（CM）。

4. 场景应用实验

核电设备巡检示例，展示该连续体机器人在管道、容器表面的爬行与过渡能力。

图7. 机器人的应用。(a) 爬过一些非连续表面。(b) 爬过压力管到达压力容器。(c) 在核电领域的工业应用。

该机器人可在核电管道、容器等复杂表面实现稳定爬行与过渡运动，具备工业巡检应用潜力。

度量贡献

NOKOV度量动作捕捉系统为研究提供了可伸缩棱柱弹簧主干形变的高精度位姿数据，作为验证有限元模型、离散模型与连续微分模型的基准，有效支撑了模型精度与适用场景的量化评估。

通讯作者介绍

赵建文，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。

哈尔滨工业大学威海校区机器人研究所副所长、软体机器人实验室主任。主要从事刚软体复合机器人及狭小障碍空间作业机器人、软传感器研究。赵建文教授团队近十年来一直聚焦于软体机器人理论及工程应用研究，团队研制的机器人已用于核电厂、热电厂、化工厂相关设备的内部状态检测。近年来承担国家自然科学基金重大研究计划、国家科技支撑计划、863计划等项目，并受邀为Soft Robotics，IEEE/ASME transaction on mechatronics，Applied Physics Letters等国际知名期刊的审稿人，国家自然科学基金、山东省重点研发计划等项目的评审专家。